三維編織復合材料熱傳導性能研究

張　琳，李嘉祿

(天津工業大學，天津 300387)

三維編織復合材料熱傳導性能研究

張琳，李嘉祿

(天津工業大學，天津 300387)

文章運用熱傳導系數儀研究了三維編織復合材料熱傳導性能，分析了編織角(α)、纖維體積含量變化對其熱傳導性能的影響，并對比了三維四向編織復合材料(4D)、三維五向編織復合材料(5D)和層合復合材料的熱傳導性能。

熱傳導系數； 三維四向編織復合材料； 三維五向編織復合材料； 層合復合材料

三維編織復合材料作為近年來發展的高性能新型結構材料，相比傳統層合復合材料，具有更優異的性能，在航空、航天等領域得到了越來越廣泛的應用。隨著工程技術的發展，對復合材料熱物理性能的研究逐漸得到了人們的重視。熱傳導性能是復合材料的一個重要指標，只有對復合材料的熱傳導性能有足夠的認識，才能將復合材料很好地應用于熱環境中。

目前國內外都有關于復合材料熱傳導性能的研究。轟榮華等[1]理論分析模型采用的理想單胞模型能較好地預測二維編織C/SiC復合材料的等效熱傳導系數。程偉等[2]研究了單向復合材料和機織復合材料的熱物理性能，并利用“米”字型枝狀胞體有限元模型，計算了4D材料的導熱性能。劉振國等[3～5]基于更加真實的胞體結構模型，研究了4D材料的熱傳導性能，給出的理論預測與實驗值吻合得較好。李典森等[6]建立了5D編織復合材料的有限元模型,結合4D編織復合材料的有限元模型計算得到了5D和4D編織復合材料橫向和縱向熱傳導系數。皮秀標等[7]受文獻[8]的啟發，也對全5D材料的細觀結構進行了分析，推導了編織角等工藝參數與胞體結構參數間的數學關系。夏彪等[9]采用周期性非絕熱溫度邊界條件和周期性位移邊界條件，計算了4D材料和5D材料的整體等效熱傳導系數和熱膨脹系數，所得結果同已有文獻相比與實驗值符合得更好些。王成禹等[10]基于ANSYS的APDL語言編程建立了全5D編織復合材料的參數化有限元模型，并對其彈性性能和熱物理性能進行了有限元分析，得到了彈性常數、熱傳導系數和熱膨脹系數隨編織角和纖維體積含量的變化規律。Soheil[11]對三維編織復合材料的熱膨脹性能進行了系統的研究，利用有限元方法預測了三維編織復合材料的熱膨脹系數[12]。Yang等[13]采用修正的經典層合板理論對4D材料的剛度性能進行了研究。

1　實驗

1.1試件

本論文采用的試件是碳纖維/環氧樹脂三維五向編織復合材料、三維四向編織復合材料和層合復合材料。

1.1.1三維五向編織復合材料

預成型件均采用四步法三維1×1方型編織工藝，在天津工業大學復合材料研究所的三維編織機上編織完成。編織所用纖維為T700-12K的碳纖維，密度1.76 g/cm3，線密度0.8 g/m。根據測試方案設計，三維五向編織預成型件共9組，每組3片。在所需結構參數(表面編織角、纖維體積含量等)的基礎上，其它編織工藝參數的計算參考三維五向編織物的基本工藝設計方法。

1.1.2三維四向編織復合材料

預成型體在天津工業大學復合材料研究所的三維編織機上采用四步法1×1三維四向編織工藝編織而成。編織紗為的T700-12K碳纖維，密度1.76 g/cm3，線密度0.8 g/m。根據實驗要求，9組用于測試的三維四向編織復合材料試件每組3個試片。

2018年9月15日，第二十四次全國地方立法工作座談會在浙江杭州召開。中共中央政治局常委、全國人大常委會委員長栗戰書出席會議并講話。他強調：“要以習近平新時代中國特色社會主義思想和黨的十九大精神為指導，總結改革開放40年來我國立法工作特別是地方立法工作的成就和經驗，推動地方立法工作與時代同步伐、與改革同頻率、與實踐同發展，為完善中國特色社會主義法律體系、推動地方經濟社會發展作出新貢獻。”

1.1.3層合復合材料

層合復合材料試件采用T700-12K碳纖維平紋布，面密度為500 g/m2。試驗用層合復合材料試件中，纖維的取向為30°、40°、45°和90°，為了滿足纖維體積含量的需要，層數分別為7層、8層和9層。

1.2實驗裝置

1.2.1TC3000熱傳導系數儀

熱線法熱傳導系數儀TC3000主要包括測試主機、傳感器、標準試樣和測試軟件Hotwire 3.0，如圖1所示。

圖1　TC3000熱傳導系數儀

1.2.2瞬態熱線法原理

瞬態熱線法是利用測量熱絲的電阻來測量物質熱傳導系數的，基于1976年Healy JJ提出的理論，其理想模型為：在無限大的各向同性、均勻物質中置入直徑無限小、長度無限長、內部溫度均衡的線熱源，初始狀態下二者處于熱平衡狀態，突然給線源施加恒定的熱流加熱一段時間，線熱源及其周圍的物質就會產生溫升，由線熱源的溫升即可得到被測物體的熱傳導系數。其控制方程是簡單的傅里葉方程：

式中：T為溫度，

t為時間，

a為被測物質的熱擴散系數，a=λ/ρCP，λ為被測物質的熱傳導系數，ρ與CP分別為被測物質的密度和定壓比熱容。

1.2.3試樣要求

對于塊狀或片狀樣品，需要準備兩塊相同材質的樣品；樣品的最小厚度不能低于0.3 mm，最小直徑為20 mm，當樣品的熱傳導系數較大時，樣品的最小厚度需要隨之增加；兩塊試樣尺寸可不一致、邊界可不規則，但與傳感器的接觸面需盡量保持平整光滑。

1.2.4試驗過程

相同參數的三個試樣為一組，每兩塊進行一次測量，具體過程如下：

取其中一塊試樣置于桌面(或者環境模塊內腔)。將傳感器探頭放樣上,保持探頭平整。探頭不能偏離試樣。將另一塊試驗樣品完全覆蓋在探頭上，兩塊樣品不得偏離探頭，不能將探頭露于試樣之外。確保樣品和探頭表面之間無空間隙，因為空氣間隙可能導致樣品過熱或損壞探頭。用帶有一定質量的物品(可選配配套的500 g砝碼)壓住試樣和探頭。如有環境模塊，需將環境模塊前門關合，接通電源，使用軟件端進行溫度控制。

2　實驗結果與討論

在實驗中分別對不同編織角、不同纖維體積含量的三維四向編織復合材料、三維五向編織復合材料和層和復合材料進行了熱傳導性能的分析(每3個相同的試件為一組)，獲得了各個熱傳導系數平均值，見表1、表2、表3，并分別以編織角和熱傳導系數為變量做成了折線圖，如圖1、圖2、圖3所示。

圖1描述了層合復合材料取向角和纖維體積含量對復合材料熱傳導系數的影響。從圖1中可以明顯看出當取向角一定時，熱傳導系數隨著層數增加而增大；當層數一定時，熱傳導系數又隨著取向角的增大而增大。這主要是因為取向角增大時,將導致試件橫向上的纖維比例增大,而纖維的熱傳導系數大于基體,所以使得整個復合材料的橫向熱傳導系數得以提高。同樣纖維體積含量增大，從而熱傳導系數增加。

表1　層合復合材料熱傳導系數

表2　三維四向編織復合材料熱傳導系數

表3　三維五向編織復合材料熱傳導系數

圖1　層合復合材料的熱傳導系數

圖2　三維四向編織復合材料的熱傳導系數

由圖2可以看出，當纖維體積含量一定時，三維四向編織復合材料的熱傳導系數隨編織角增大而增大；當編織角一定時，三維四向編織復合材料的熱傳導系數隨纖維體積含量增大而增大。

圖3三維五向編織復合材料的熱傳導系數

三維五向編織復合材料在纖維體積含量一定時，熱傳導系數隨編織角增大而增大；在編織角一定時，熱傳導系數隨纖維體積含量的增大而增大，如圖3。

圖4　編織角和纖維體積含量與4D、5D材料熱傳導系數關系

圖4描述了編織角和纖維體積含量與4D、5D編織復合材料的熱傳導系數的關系。從圖中可以明顯看出，當纖維體積含量一定時,5D復合材料和4D復合材料的熱傳導系數都隨編織角的增加而增大。這主要是因為編織角增大時,將導致試件橫向上的纖維比例增大,而纖維的熱傳導系數大于基體,所以使得整個復合材料的橫向熱傳導系數得以提高。而5D復合材料由于加入了軸紗,大大提高了縱向上纖維的含量,造成橫向上的纖維比例比4D材料要小,從而導致熱傳導系數比4D材料要小。從圖中還可看出，當α較小時,5D和4D材料的纖維大都集中在縱向上,在橫向上的纖維比例都較小,從而使得兩種材料的熱傳導系數比較接近。而隨α的增大,相對5D材料,4D材料在橫向上的纖維比例要逐漸增大,使得兩種材料橫向熱傳導系數的差距也逐漸增大。

三維編織復合材料與層合復合材料相比，當纖維取向相同時，層合復合材料的纖維體積含量比編織復合材料大，導致層合復合材料比三維編織復合材料熱傳導系數大。

3　結論

3.1對于層合復合材料，其熱傳導系數隨著纖維體積含量的增加而增加;且當纖維體積含量一定時，熱傳導系數隨著取向角的增大而增大。

3.2對于三維四向和三維五向編織復合材料，當編織角一定時，熱傳導系數隨著纖維體積含量的增大而增大。

3.3對于三維四向和三維五向編織復合材料，在其他條件一定時，熱傳導系數同樣隨著編織角的增大而增大。

3.4編織角和纖維體積含量一定的前提下，三維五向編織復合材料的熱傳導系數要比三維四向編織復合材料的熱傳導系數小。

3.5在纖維的取向角度一定的情況下，層合復合材料比三維編織復合材料的熱傳導系數大。

[1]轟榮華,矯桂瓊,王波.2D編織C/SiC復合材料厚度方向熱傳導系數預測[A].第十五屆全國復合材料學術會議論文集[C]，2008：388—394.

[2]程偉，趙壽根，劉振國，等．三維四向編織復合材料等效熱特性數值分析和試驗研究[J]．航空學報，2002，23(2)：102—105.

[3]劉振國．三維全五向編織預型件的概念[J]．材料工程，2008，(S1)：305—312.

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[6]李典森，盧子興，劉振國，等．三維五向編織復合材料導熱性能的有限元分析[J]．航空動力學報，2008，23(8)：1455—1460．

[7]皮秀標，錢坤，曹海建，等．三維全五向編織復合材料的細觀結構分析[J]．宇航材料工藝，2011，41(6)：39—43．

[8]劉振國．三維全五向編織預型件的概念[J]．材料工程，2008，(S1)：305—312．

[9]夏彪，盧子興．三維編織復合材料熱物理性能的有限元分析[J]．航空學報，2011，32(6)：1040—1049.

[10]盧子興，王成禹，夏彪.三維全五向編織復合材料彈性性能及熱物理性能的有限元分析[J].復合材料學報，2013, 6(3)：30—32.

[11]Soheil M，Predictions for coefficients of thermal expansion of three-dimensional braided composites[J]．AIAA Journal,1997,35(1):141—144.

[12]Soheil M．Predictions for coefficients of thermal expansion of three-dimensional braided composites [J]．AIAA Journal,1997, 35(1):1 41—144.

[13]Yang J M，Ma C L，Chou T W．Fiber inclination model of Three-dimensional textile structural composites[J]．Journal of Composite Materials,1986, 20(5):472—484.

Research on Thermal Conductivity of Three-Dimensional Braided Composites

ZhangLin,LiJialu

(Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387, China)

The thermal conductivity properties of three-dimensional braided composites were studied. The effects of braiding angle and fiber volume fraction on the thermal conductivity properties were researched. The thermal conductivity properties between three-dimension-four- direction braided composites, three-dimension-five-direction braided composites and laminated composites were compared.

thermal conductivity coefficient; 4D braided composites; 5D braided composites; laminated composites

2015-07-27

張琳(1989—)，女，天津人，碩士研究生。

TS105

A

1009-3028(2015)05-0050-04